2772 光學(xué)三維測量機(jī)設(shè)計,光學(xué),三維,測量,丈量,設(shè)計 1光學(xué)三維測量機(jī)設(shè)計第一章 緒論引言隨著計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技信息的傳播速度，產(chǎn)品生命周期越來越短。追求完美與個性化的消費需求使產(chǎn)品品種越來越多，批量越來越小，企業(yè)間的競爭不再只是質(zhì)量與成本上的競爭。而更重要的是產(chǎn)品開發(fā)速度以及上市時間的競爭，這種趨勢在 21 世紀(jì)頭 10 年將日趨強(qiáng)勁。因此產(chǎn)品的開發(fā)速度和制造技術(shù)的柔性和可移植性變得十分關(guān)鍵?？焖僭椭圃?Rapid Prototyping，以下簡稱 RP)技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的。RP 技術(shù)綜合運用了計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)和自動化控制等技術(shù)的發(fā)展成果，采用分層增材制造的新概念取代傳統(tǒng)的去材或變形法加工，是當(dāng)代最具有代表性的制造技術(shù)之一。快速原型制造技術(shù)對所加工的零件的幾何形狀無特別要求，可以將給定數(shù)據(jù)還原成實體模型，即它可快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計思想變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速的評估、及功能測試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費用，加快新產(chǎn)品推向市場的進(jìn)程。對于大多數(shù)產(chǎn)品，都可以在通用的 CAD 軟件上設(shè)計出它們的三維模型，求得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，另一方面我們還需要對原產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制或仿制加工，或進(jìn)行產(chǎn)品的二次開發(fā)，在某些情況下由于存在多種因素的影響，如功能，工藝，外觀，使得相當(dāng)一些零件的形狀很復(fù)雜，無法用通用的方法在 CAD 軟件上準(zhǔn)確的設(shè)計出它們的實物模型，而且整個開發(fā)周期長，開發(fā)成本高，因此有必要首先開發(fā)出一定比例的小的實物模型，如木模，蠟?zāi)５?。反求工?也稱逆向工程Reverse Engineering)應(yīng)運而生，反求工程是根據(jù)已有的實物樣件，利用 3D測量技術(shù)快速測得實物的數(shù)據(jù)點，反求出初始的設(shè)計意圖，包括形狀、材料、工藝等諸多方面。所謂“逆向工程”是相對于通常的先有設(shè)計意圖再進(jìn)行設(shè)計然后再加工出實物的設(shè)計流程－順向工程而言。如圖 1－1 所示：2逆向工程是當(dāng)前用于產(chǎn)品開發(fā)和仿制加工的一種先進(jìn)手段，是集測量技術(shù)、CAD 技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)等為一體的高新技術(shù)，它針對現(xiàn)有的工件（樣品或模型） ，利用 3D 數(shù)字化測量儀器快速、準(zhǔn)確的測得大量輪廓坐標(biāo)點，并對這些坐標(biāo)點進(jìn)行去噪，匹配加以構(gòu)建，修改后輸入到CAD/CAM 系統(tǒng)，生成 NC 的刀具加工路徑，或輸入 CNC 進(jìn)行生成所需的模具，或者生成某種格式的文件輸入到快速成形機(jī)將樣品模型制造出來。1.1 光學(xué)三維測量機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r三維光學(xué)測量機(jī)就是這樣一種設(shè)備，它可以將在三維物理空間中的被測物體復(fù)制到三維數(shù)據(jù)空間當(dāng)中并進(jìn)行重現(xiàn)，我們稱之為建立三維模型。這種能力使三維掃描儀擁有非常巨大的應(yīng)用前景。由于逆向工程技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實用價值，因此，世界上主要工業(yè)國家紛紛投入巨資對此項技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和推廣應(yīng)用，他們無不站在 21 世紀(jì)世界制造業(yè)全球競爭的戰(zhàn)略高度來對待這一技術(shù)。目前該項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械零部件的快速開發(fā)、汽車和飛機(jī)覆蓋件的快速檢測和反求、快速模具、醫(yī)療及康復(fù)工程、家用電器、工業(yè)設(shè)計、工藝品制作以及兒童玩具等領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國外不同測量原理的逆向設(shè)備已進(jìn)入我國市場，如英國 3D-Scanner 公司、德國 GOM 公司以及美國、日本、比利時等國產(chǎn)品。國外設(shè)備雖然性能優(yōu)良，但價格十分昂貴，國內(nèi)企業(yè)，特別是大量的中小企業(yè)一般很難有能力購買。而且國外產(chǎn)品并不能完全適合我國國情，還需本土化。課題組申請的省自然科學(xué)基金資助項目，能夠從整體上降低逆向工程技術(shù)在我國的使用門檻，使國內(nèi)眾多的中小企業(yè)能夠使用這種先進(jìn)技術(shù)來提高產(chǎn)品開發(fā)能力和市場3競爭能力。國外生產(chǎn)廠家采取多種方式大力推介他們的設(shè)備，如，德國 GOM 公司正在開發(fā)中文版三維測量軟件。形勢十分嚴(yán)峻,時不我待。盡快開發(fā)出提升我國制造業(yè)水平和自主創(chuàng)新能力的這一關(guān)鍵設(shè)備，是我們義不容辭的責(zé)任。近年來，華中科技大學(xué)、上海交大、西安交大、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)等高校也加強(qiáng)了對逆向工程技術(shù)的研究。華中科技大學(xué)生產(chǎn)了我國第一臺商品化激光線掃描臺式反求設(shè)備，北京天遠(yuǎn)公司也推出了他們的產(chǎn)品。但總體上來看，國內(nèi)的逆向工程技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)還處于初級階段，設(shè)備品種單一，與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有很大差距，遠(yuǎn)沒有達(dá)到大面積推廣與應(yīng)用的水平。1.2 設(shè)計研究的目的和意義逆向工程（Reverse Engineering）在傳統(tǒng)的汽車，航空航天，通訊、家電、藝術(shù)品的快速模具制造與檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。它是一門集機(jī)器視覺、CAD/CAM、光學(xué)測量、數(shù)控、精密機(jī)械、圖像采集與處理、工業(yè)設(shè)計為一體的高新技術(shù)，是一種對模型進(jìn)行仿型測量、CAD 模型重構(gòu)、模型加工并進(jìn)行優(yōu)化評估的設(shè)計方法。作為先進(jìn)制造技術(shù)重要分支，已成為吸收、消化國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)、實現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)和創(chuàng)新的重要手段，可以避免走自行開發(fā)中的許多彎路，極大地增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。它針對現(xiàn)有的模型或樣品，利用 3D 數(shù)字化測量儀器，準(zhǔn)確、快速地測得其輪廓坐標(biāo)，并進(jìn)行三維 CAD 曲面重構(gòu)，在此基礎(chǔ)上再設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品“創(chuàng)新” 。然后通過 CAM 系統(tǒng)，產(chǎn)生刀具 NC 加工代碼，控制 CNC 設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品加工，或者送到快速成型機(jī)將模型或樣品快速制作出來。這一技術(shù)使產(chǎn)品模型得到精確的表達(dá)和再現(xiàn)，為產(chǎn)品的進(jìn)一步分析、優(yōu)化和制造確立了統(tǒng)一的對象。例如：在汽車車身等復(fù)雜覆蓋件的工業(yè)設(shè)計中，形狀獨特而復(fù)雜的自由曲面一般不能直接建立起 CAD 模型，而是以制件模型（如粘土模型等）或經(jīng)手工修改后的樣件為設(shè)計原型，這類零件具有非常復(fù)雜的自由曲面，其設(shè)計表達(dá)或數(shù)學(xué)模型的建立非常困難。但是，一旦重構(gòu)出自由曲面，并建立起 CAD 模型后，就可以方便地進(jìn)行設(shè)計、有限元分析、模型修改、誤差分析和數(shù)控加工指令生成等。這就要求根據(jù)這些模型的表面測量數(shù)據(jù)，基于新的設(shè)計理念重構(gòu)汽車車身 CAD 模型（或新產(chǎn)品模型） ，并進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化評估，直到得到滿意的設(shè)計結(jié)果。三維掃描測量技術(shù)、設(shè)備和軟件是逆向工程的重要組成部分。在產(chǎn)品快速設(shè)計開發(fā)、快速模具和復(fù)雜型面數(shù)控加工等方面都具有重要意義。41.3 本文的內(nèi)容安排緒論主要闡述逆向工程的概念，三維光學(xué)測量機(jī)在逆向工程中的作用以及它的應(yīng)用與發(fā)展，本次設(shè)計的目的及其重大意義。第二章首先介紹三維光學(xué)測量機(jī)系統(tǒng)的測量原理，測量機(jī)的特點，然后詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的原理。第三章主要介紹三維光學(xué)測量機(jī)的整體設(shè)計法案。第四章主要描述機(jī)械部分的設(shè)計和一些硬件件的選擇，對相應(yīng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。第五章介紹測量機(jī)的相關(guān)設(shè)計計算。第六章進(jìn)行了全文總結(jié)以及對測量機(jī)的未來展望。1.4 本章總結(jié)本章首先介紹逆向工程的發(fā)展背景，概念，三維測量機(jī)在逆向工程中的應(yīng)用狀況；隨后介紹了逆向工程中數(shù)據(jù)獲取方法和 CAD 建模方法，并將各種方法進(jìn)行了簡單比較；本次設(shè)計的目的、意義。最后對本次設(shè)計的整體安排進(jìn)行了介紹。5第二章 光學(xué)三維測量機(jī)的測量原理2.1 測量機(jī)的測量原理光柵投影照相式三維測量儀是一種高速高精度的三維掃描測量設(shè)備，應(yīng)用的是目前國際上最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光非接觸照相測量原理。采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。與傳統(tǒng)的三維掃描儀不同的是，該掃描儀能同時測量一個面。光線垂直照射被測物體表面，運動控制器通過驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)帶動雙目面陣 CCD 實時地將被測物體的圖像送入圖像采集卡，圖像采集卡把采集到的數(shù)據(jù)信息送入計算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理以后得到三維的數(shù)據(jù)點云。其基本原理如圖 2-1 所示：2.2 三維測量機(jī)的特點1、掃描速度極快：5 秒內(nèi)可得到 100 多萬點，效率很高 2、第三代的面掃描方式：每次掃描一個面，獲得整個面的三維數(shù)據(jù)，測量點分布密度極高且非常規(guī)則 3、非接觸掃描：利用照相式原理，進(jìn)行非接觸式光學(xué)掃描，得到物體表面三維數(shù)據(jù)。而且適應(yīng)了柔軟、易變形物體的測量要求。 4、精度高：利用獨有的測量技術(shù)，實際精度可達(dá) 0.02mm 65、大景深：掃描景深可達(dá) 300～500mm，為國內(nèi)最高。適合景深較大物體掃描　 6、標(biāo)志點自動拼接：可將多次測量結(jié)果自動拼接，掃描時物體可任意翻轉(zhuǎn)和挪動。通過對標(biāo)志點的拼接加以生成多次測量數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)大面積掃描。減少了測量的死角。 7、點云噪聲處理和修剪：可以對測量產(chǎn)生的噪音點進(jìn)行修剪、剔除。 8、對環(huán)境要求不高：環(huán)境光對該掃描系統(tǒng)影響不大，在大多數(shù)的環(huán)境下都能獲得高性能的數(shù)據(jù) 9、便攜式設(shè)計：設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測量現(xiàn)場。 10、測量輸出數(shù)據(jù)接口廣泛：測量所得的點云數(shù)據(jù)為 ASC、VRML 格式，可直接與 Surfacer（image　ware） 、UG、CATIA、Geomagic、Pro／E、Master　CAM 等軟件交互數(shù)據(jù) 11、軟件性能良好：兼容 Windows98／NT／2000／XP　平臺，用戶易學(xué)易用，不需過多的培訓(xùn)就可以熟練操作，兼容性好，簡便易學(xué) 12、彩色掃描：不但可以得到數(shù)字信息，還可以得到 RGB 彩色信息2.3 控制系統(tǒng)原理介紹隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的種類越來越多，可以分為開環(huán)控制系統(tǒng)，半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)如圖 2-2 所示：計算機(jī)（可以包含各種控制器）根據(jù)所要求的進(jìn)給速度和位移輸出一定頻率和數(shù)量的脈沖，這種脈沖信號往往是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平，驅(qū)動能力小，不足以驅(qū)動電機(jī)，此時就需要相應(yīng)的功率放大器－－步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路把相應(yīng)的信號放大。每個脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一個步距角，從而帶動絲杠，由絲杠帶動刀具、測頭等。由于步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械位移與輸入的脈沖有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而脈沖輸入的頻率則對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此通過輸入脈沖數(shù)和頻率即可控制速度和位移。但開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋裝置，計算機(jī)輸出一定的脈沖數(shù)，無法知道步進(jìn)電機(jī)是否丟步，絲杠是否移動到了指定的位置。因此這種系統(tǒng)只能靠機(jī)械和電機(jī)的精度保證，系統(tǒng)速度和精度都較低。指 令 脈 沖 絲 杠 圖 2-2 開 環(huán) 進(jìn) 給 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 計 算 機(jī) 步 進(jìn) 電 機(jī)驅(qū) 動 電 路 步 進(jìn) 電 機(jī) 7閉環(huán)系統(tǒng)常用在精度要求較高的反求系統(tǒng)中，一種構(gòu)成位置環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖 2-3 所示。當(dāng)位置反饋信號從電機(jī)端部通過編碼器或者從絲杠端部獲得（如圖 2-3 虛線所示） ，間接測量執(zhí)行部件的實際位置為半閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)位置反饋信號從絲杠等執(zhí)行部件上直接測實際的位置或位移（如圖 2-3 實線所示）為全閉環(huán)系統(tǒng)。這種閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)由于對實際的執(zhí)行部件的位置進(jìn)行反饋，因此其位移精度高于開環(huán)系統(tǒng)。由圖 2-3 見閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)包含速度調(diào)節(jié)部分和位置調(diào)節(jié)部分，數(shù)控裝置進(jìn)給的指令通常包括位移和速度兩個信息。為了使電機(jī)的輸出速度和位置跟隨速度和位置指令，系統(tǒng)設(shè)有速度和位置控制部分。速度測量一般用測速發(fā)電機(jī)或脈沖編碼器，隨時測得電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，與速度指令相比得到速度誤差信號，即可對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)；位置反饋用一般脈沖編碼器或直線光柵尺，將測得的實際位置與指令位置比較的得到的結(jié)果即是位置誤差信號，根據(jù)其差值與指令進(jìn)給速度的要求，按一定的運動規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換后得到進(jìn)給伺服系統(tǒng)的速度指令。從掃描系統(tǒng)的特點，速度，精度，成本等方面考慮，我們選擇了半閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用編碼器反饋回各軸的位置信息，然后再與設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差信號作為誤差補(bǔ)償信號，這樣的半閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件比較簡單，控制較方便，系統(tǒng)的精度介于開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)之間，精度符合我們要求。2.4 本章總結(jié)本章首先介紹了三維掃描系統(tǒng)的工作原理，采用結(jié)構(gòu)光三角原理進(jìn)行測量；接著簡單介紹了控制系統(tǒng)的分類，介紹了開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的精度要求和成本考慮選用了帶有編碼器反饋的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，并符合三維光學(xué)測量系統(tǒng)的要求。指 令 圖 2-3 一 種 閉 環(huán) 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 組 成 位 置 調(diào) 節(jié) 器 速 度 調(diào) 節(jié) 器 電 機(jī) 速 度 反 饋 位 置 反 饋 機(jī) 械 裝 置 8第三章 光學(xué)三維測量機(jī)整體設(shè)計方案3.1 設(shè)計要求在繪制產(chǎn)品總裝圖和部件裝配圖時要注意設(shè)計的科學(xué)性和條理性。設(shè)計一個部件，其過程大致如下：首先，確定末端執(zhí)行件的概略形狀尺寸，然后，設(shè)計末端執(zhí)行件與其相臨的下一個功能部件的結(jié)合的形式與概率尺寸。若為運動導(dǎo)軌結(jié)合部，則執(zhí)行件一測相當(dāng)于滑臺，相臨部件一測相當(dāng)于滑座，考慮導(dǎo)軌精度，選擇并確定導(dǎo)軌的類型及尺寸。根據(jù)導(dǎo)軌結(jié)合部的設(shè)計結(jié)果和該運動的行程，直到基礎(chǔ)支撐件。在設(shè)計中，處處從實際出發(fā)分析和處理問題是至關(guān)重要的。從大處講，聯(lián)系實際是指對工藝可能性的分析，在參數(shù)擬訂和方案確定中，既要了解當(dāng)今的先進(jìn)生產(chǎn)水平和可能趨勢，更應(yīng)了解我國的實際生產(chǎn)水平，使設(shè)計的機(jī)器能發(fā)揮最佳的效果。從小處講，指對設(shè)計的機(jī)械零部件的制造工藝、裝配和維修要進(jìn)行認(rèn)真的切實際的考慮和分析。學(xué)會使用設(shè)計手冊，對推薦的設(shè)計數(shù)據(jù)和各類標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合實際情況取舍。通過設(shè)計實踐，了解和掌握結(jié)合實際、綜合思考的設(shè)計方法。3.2 光學(xué)三維測量機(jī)的基本結(jié)構(gòu)分析1， 主機(jī)機(jī)械系統(tǒng)（X、Y、Z 三軸或其它）； 2， 測頭系統(tǒng)； 3， 電氣控制硬件系統(tǒng)； 4， 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)（測量軟件）；3.2.1 設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容設(shè)計任務(wù)定位在光學(xué)三維測量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及運動控制系統(tǒng)設(shè)計，其中機(jī)械部分的設(shè)計包括底座設(shè)計，主要承擔(dān)運動功能。設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測量現(xiàn)場，不受地域的限制；其次是滑道的設(shè)計，包括限位手柄、整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要使測量機(jī)的掃描頭可以實現(xiàn) y 軸、z 軸、繞 z 軸旋轉(zhuǎn)的運動功能，擴(kuò)大其測量范圍。最后是測量機(jī)掃描頭的設(shè)計，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是光柵電動平移臺的設(shè)計；第二，控制系統(tǒng)設(shè)計。3.2.2 總體設(shè)計法案的擬定方案擬訂為測量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，其中主要是測量機(jī)的整體結(jié)構(gòu)定型；掃描頭沿 y、z 軸的運動，繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計；底座支撐設(shè)計；9掃描頭設(shè)計。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計。3.2.3 光學(xué)三維測量機(jī)機(jī)械部分設(shè)計測量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計可歸類于機(jī)械制造裝備設(shè)計，可分為創(chuàng)新設(shè)計、變形設(shè)計、和組合設(shè)計三大類型，設(shè)計的過程隨設(shè)計類型而不同，其中創(chuàng)新設(shè)計的過程最典型，可分為產(chǎn)品規(guī)劃階段、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計四個階段。產(chǎn)品規(guī)劃階段的任務(wù)是明確設(shè)計任務(wù)，通常應(yīng)在市場調(diào)查與預(yù)測的基礎(chǔ)上識別產(chǎn)品需求，進(jìn)行可行性分析，制定設(shè)計技術(shù)任務(wù)書。 初步設(shè)計方案具體化，技術(shù)設(shè)計階段是將方案設(shè)計階段擬訂的初步設(shè)計方案具體化，確定結(jié)構(gòu)原理方案；進(jìn)行總體技術(shù)方案設(shè)計；進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計；通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇較優(yōu)的設(shè)計方案。（1）確定結(jié)構(gòu)原理放案根據(jù)初步設(shè)計方案，再充分理解原理的基礎(chǔ)上，確定結(jié)構(gòu)原理方案。其中包括決定尺寸的依據(jù)，如功率、流量和聯(lián)系尺寸等；決定布局的依據(jù)等，決定和限制結(jié)構(gòu)設(shè)計的空間條件， 。在上述的依據(jù)約束下，對主要功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)思，初步確定其材料和形狀，進(jìn)行粗略的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）總體設(shè)計總體設(shè)計階段的任務(wù)是將結(jié)構(gòu)原理方案進(jìn)一步具體化?？傮w設(shè)計的內(nèi)容大致包括主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、總體布局、系統(tǒng)原理圖、其它。（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的主要任務(wù)是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)原理方案結(jié)構(gòu)化，繪制產(chǎn)品總裝圖；提出初步的零件表及裝配說明書。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須遵守有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，充分考慮人機(jī)工程、外觀造型、結(jié)構(gòu)可靠和耐用性、加工和裝配工藝性等。光學(xué)三維測量機(jī)的結(jié)構(gòu)草圖如下：10圖 3-1 光學(xué)三維測量機(jī)3.2.4 控制部分設(shè)計光學(xué)三維測量機(jī)系統(tǒng)的控制部分采用 PLC 控制。本書以 S7-200 系列 PLC 為目標(biāo)機(jī)型，介紹西門子 PLC 的特點，為今后更好地學(xué)習(xí)和掌握 S7-300/400 打下基礎(chǔ)。S7-200 系列 PLC 作為西門子 SIMATIC PLC 家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強(qiáng)大的內(nèi)置功能，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。111.S7-200 系列 PLC 的基本硬件組成 S7-200 系列 PLC 可提供 4 種不同的基本單元和 6 種型號的擴(kuò)展單元。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。（1）．基本單元S7-200 系列 PLC 中可提供 4 種不同的基本型號的 8 種 CPU 供選擇使用，其輸入輸出點數(shù)的分配見表 3-1：表 3-1 S7-200 系列 PLC 中 CPU22X 的基本單元型 號 輸入點 輸出點 可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7-200CPU221 6 4 —S7-200CPU222 8 6 2 個擴(kuò)展模塊，78 路數(shù)字量 I/O 點或 10 路模擬量 I/O 點S7-200CPU224 14 10 7 個擴(kuò)展模塊，168 路數(shù)字量 I/O 點或 35路模擬量 I/O 點S7-200CPU226 24 16 2 個擴(kuò)展模塊，248 路數(shù)字量 I/O 點或 35路模擬量 I/O 點S7-200CPU226XM 24 162 個擴(kuò)展模塊，48 路數(shù)字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點（2）.擴(kuò)展單元S7-200 系列 PLC 主要有 6 種擴(kuò)展單元，它本身沒有 CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴(kuò)展 I/O 點數(shù)，S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點數(shù)的分配如表 3-2 所示。表 3-2 S7-200 系列 PLC 擴(kuò)展單元型號及輸入輸出點數(shù)類 型 型 號 輸入點 輸出點EM221 8 無EM222 無 8數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223 4/8/16 4/8/16EM231 3 無EM232 無 2模擬量擴(kuò)展模塊EM235 3 1（3）.編程器PLC 在正式運行時，不需要編程器。編程器主要用來進(jìn)行用戶程序的編制、存儲和管理等，并將用戶程序送入 PLC 中，在調(diào)試過程中，進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測。S7-200 系列 PLC 可采用多種編程器，一般可分為簡易型和智能型。12簡易型編程器是袖珍型的，簡單實用，價格低廉，是一種很好的現(xiàn)場編程及監(jiān)測工具，但顯示功能較差，只能用指令表方式輸入，使用不夠方便。智能型編程器采用計算機(jī)進(jìn)行編程操作，將專用的編程軟件裝入計算機(jī)內(nèi)，可直接采用梯形圖語言編程，實現(xiàn)在線監(jiān)測，非常直觀，且功能強(qiáng)大，S7-200 系列PLC 的專用編程軟件為 STEP7-Micro/WIN。（4）程序存儲卡為了保證程序及重要參數(shù)的安全，一般小型 PLC 設(shè)有外接 EEPROM 卡盒接口，通過該接口可以將卡盒的內(nèi)容寫入 PLC，也可將 PLC 內(nèi)的程序及重要參數(shù)傳到外接 EEPROM 卡盒內(nèi)作為備份。程序存儲卡 EEPROM 有 6ES 7291-8GC00-0XA0 和 6ES 7291-8GD00-0XA0 兩種，程序容量分別為 8K 和 16K 程序步。（5）.寫入器寫入器的功能是實現(xiàn) PLC 和 EPROM 之間的程序傳送，是將 PLC 中 RAM 區(qū)的程序通過寫入器固化到程序存儲卡中，或?qū)?PLC 中程序存儲卡中的程序通過寫入器傳送到 RAM 區(qū)。（6） 文本顯示器文本顯示器 TD200 不僅是一個用于顯示系統(tǒng)信息的顯示設(shè)備，還可以作為控制單元對某個量的數(shù)值進(jìn)行修改，或直接設(shè)置輸入/輸出量。文本信息的顯示用選擇/確認(rèn)的方法，最多可顯示 80 條信息，每條信息最多 4 個變量的狀態(tài)。過程參數(shù)可在顯示器上顯示，并可以隨時修改。TD200 面板上的 8 個可編程序的功能鍵，每個都分配了一個存儲器位，這些功能鍵在啟動和測試系統(tǒng)時，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和診斷。2. S7-200 系列 PLC 的主要技術(shù)性能下面以 S7-200 CPU224 為例說明 S7 系列 PLC 的主要技術(shù)性能。（1）一般性能，S7-200 CPU224 的一般性能如表 3-3 所示。表 3-3 S7-200 CPU224 一般性能電源電壓 DC 24V，AC 100~230V電源電壓波動 DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）環(huán)境溫度、濕度 水平安裝 0~550C，垂直安裝 0~450C，5~95%大氣壓 860~1080hPa保護(hù)等級 IP20 到 IEC529輸出給傳感器的電壓 DC 24V （20.4-28.8V）輸出給傳感器的電流 280mA，電子式短路保護(hù)（600mA）為擴(kuò)展模塊提供的輸出電 660mA13流程序存儲器 8K 字節(jié)/典型值為 2.6K 條指令數(shù)據(jù)存儲器 2.5K 字存儲器子模塊 1 個可插入的存儲器子模塊數(shù)據(jù)后備整個 BD1 在 EEPROM 中無需維護(hù)。在 RAM 中當(dāng)前的DB1 標(biāo)志位、定時器、計數(shù)器等通過高能電容或電池維持，后備時間 190h（40 0C 時 120h），插入電池后備200 天編程語言 LAD，F(xiàn)BD，STL程序結(jié)構(gòu) 一個主程序塊（可以包括子程序）程序執(zhí)行 自由循環(huán)。中斷控制，定時控制（1~255ms）子程序級 8 級用戶程序保護(hù) 3 級口令保護(hù)指令集 邏輯運算、應(yīng)用功能位操作執(zhí)行時間 0.37μs掃描時間監(jiān)控 300ms（可重啟動）內(nèi)部標(biāo)志位 256，可保持：EEPROM 中 0~112計數(shù)器 0~256，可保持：256，6 個高速計數(shù)器定時器可保持：256，4 個定時器，1ms~30s16 個定時器，10ms~5min236 個定時器，100ms~54min接口 一個 RS485 通信接口可連接的編程器/PC PG740PII，PG760PII，PC（AT）本機(jī) I/O數(shù)字量輸入：14，其中 4 個可用作硬件中斷，14個用于高速功能數(shù)字量輸出：10，其中 2 個可用作本機(jī)功能，模擬電位器：2 個可連接的 I/O數(shù)字量輸入/輸出：最多 94/74模擬量輸入/輸出：最多 28/7（或 14）AS 接口輸入/輸出：496最多可接擴(kuò)展模塊 7 個（2）輸入特性14S7-200 CPU224 的輸入特性如表 3-4 所示。表 3-4 S7-200 CPU224 輸入特性類型 源型或匯型輸入電壓 DC 24V，“1 信號”：14-35A，“0 信號”：0-5A，隔離 光耦隔離，6 點和 8 點輸入電流 “1 信號”：最大 4mA輸入延遲（額定輸入電壓）所有標(biāo)準(zhǔn)輸入：全部 0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）中斷輸入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可調(diào)節(jié)）高速計數(shù)器：（I0.0-0.5）最大 30kHz（3）輸出特性，S7-200 CPU224 輸出特性如表 3-5 所示。表 3-5 S7-200 CPU224 的輸出特性類型 晶體管輸出型 繼電器輸出型額定負(fù)載電壓 DC 24V（20.4-28.8V） DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）輸出電壓 “1 信號”：最小 DC 20V L+/L-隔離 光耦隔離，5 點 繼電器隔離，3 點和 4 點最大輸出電流 “1 信號”：0.75A “1 信號”：2A最小輸出電流 “0 信號”：10μsA “0 信號”：0mA輸出開關(guān)容量 阻性負(fù)載：0.75A燈負(fù)載：5W 阻性負(fù)載：2A燈負(fù)載：DC30W，AC200WS7-200 系列 PLC 是模塊式結(jié)構(gòu)，可以通過配接各種擴(kuò)展模塊來達(dá)到擴(kuò)展功能、擴(kuò)大控制能力的目的。目前 S7-200 主要有三大類擴(kuò)展模塊。（1）輸入/輸出擴(kuò)展模塊 S7-200 CPU 上已經(jīng)集成了一定數(shù)量的數(shù)字量I/O 點，但如用戶需要多于 CPU 單元 I/O 點時，必須對系統(tǒng)做必要的擴(kuò)展。CPU221 無 I/O 擴(kuò)展能力，CPU 222 最多可連接 2 個擴(kuò)展模塊（數(shù)字量或模擬量），而 CPU224 和 CPU226 最多可連接 7 個擴(kuò)展模塊。S7-200 PLC 系列目前總共提供共 5 大類擴(kuò)展模塊：數(shù)字量輸入擴(kuò)展板EM221（8 路擴(kuò)展輸入）；數(shù)字量輸出擴(kuò)展板 EM222（8 路擴(kuò)展輸出）；數(shù)字量輸入和輸出混合擴(kuò)展板 EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模擬量輸入擴(kuò)展板EM231，每個 EM231 可擴(kuò)展 3 路模擬量輸入通道，A/D 轉(zhuǎn)換時間為 25μs，12位；模擬量輸入和輸出混合擴(kuò)展模板 EM235，每個 EM235 可同時擴(kuò)展 3 路模擬15輸入和 1 路模擬量輸出通道，其中 A/D 轉(zhuǎn)換時間為 25μs，D/A 轉(zhuǎn)換時間]100μs，位數(shù)均為 12 位?；締卧ㄟ^其右側(cè)的擴(kuò)展接口用總線連接器（插件）與擴(kuò)展單元左側(cè)的擴(kuò)展接口相連接。擴(kuò)展單元正常工作需要+5VDC 工作電源，此電源由基本單元通過總線連接器提供，擴(kuò)展單元的 24VDC 輸入點和輸出點電源，可由基本單元的 24VDC 電源供電，但要注意基本單元所提供的最大電流能力。（2）熱電偶/熱電阻擴(kuò)展模塊 熱電偶、熱電阻模塊（EM231）是為CPU222，CPU224，CPU226 設(shè)計的，S7-200 與多種熱電偶、熱電阻的連接備有隔離接口。用戶通過模塊上的 DIP 開關(guān)來選擇熱電偶或熱電阻的類型，接線方式，測量單位和開路故障的方向。（3）通訊擴(kuò)展模塊 除了 CPU 集成通訊口外，S7-200 還可以通過通訊擴(kuò)展模塊連接成更大的網(wǎng)絡(luò)。S7-200 系列目前有兩種通訊擴(kuò)展模塊：PROFIBUS-DP 擴(kuò)展從站模塊（EM277）和 AS-i 接口擴(kuò)展模塊（CP243-2）。S7-200 系列 PLC 輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能如表 3-6 所示。表 3-6 S7-200 系列 PLC 輸入/輸出擴(kuò)展模塊的主要技術(shù)性能類型 數(shù)字量擴(kuò)展模塊 模擬量擴(kuò)展模塊型號 EM21 EM222 EM223 EM231 EM232 EM235輸入點 8 無 4/8/16 3 無 3輸出點 無 8 4/8/16 無 2 1隔離組點數(shù) 8 2 4 無 無 無輸入電壓 C24V DC24V 輸出電壓 DC24V 或AC24-230V DC24V 或AC24-230V A/D 轉(zhuǎn)換時間 <250μs <250μs分辨率 12bitA/D轉(zhuǎn)換 電流 12bit電流 11bit 12bitA/D 轉(zhuǎn)換16本文主要是掃描儀中光柵電動平移臺的控制如圖 3-1 所示：圖 3-1 PLC 控制接線圖3.3 主要參數(shù)的設(shè)定z 向工作行程為 2400mm，y 向工作行程為 1200mm，平移臺行程 40mm。工作進(jìn)給速度為 1-1500mm/min，快速進(jìn)給速度 12m/min進(jìn)給運動的總阻力 F∑測量精度為 0.021mm3-4 本章總結(jié)本章主要介紹了此次設(shè)計的總體方案，主要設(shè)計的內(nèi)容，詳細(xì)介紹了 S7-200 系列 PLC 的結(jié)構(gòu)功能。17第四章 機(jī)械部分的具體設(shè)計及其硬件選擇4.1 底座的設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，設(shè)計的產(chǎn)品不受地域和空間位置的影響，采用無固定式設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如下圖所示：圖 4-1 底座側(cè)視圖及主要尺寸標(biāo)注圖 4-2 底座俯視圖184.2 滑動體主要設(shè)計光學(xué)三維測量機(jī)另一個設(shè)計要求，掃描儀可以根據(jù)不同的視覺要求調(diào)整不同的視覺角度，所以本次采用掃描頭三自由度設(shè)計。主要是實現(xiàn) y、z 軸的移動和繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)。設(shè)計結(jié)果如下圖 4-3 所示：圖 4-3 滑道的主要結(jié)構(gòu)4.3 光學(xué)掃描儀測量系統(tǒng)的硬件組成4.3.1 結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的硬件組成光柵編碼法測量組成原理如圖 4-4 所示，光源照射光柵，經(jīng)過投射系統(tǒng)將19光柵條紋投射到被測物體上，經(jīng)過被測物體形面調(diào)制形成測量條紋，由雙目攝像機(jī)接受測量條紋，應(yīng)用特征匹配技術(shù)、外極線約束準(zhǔn)則和立體視覺技術(shù)獲得測量曲面的三維數(shù)據(jù)。圖 4-4 光柵編碼法測量原理圖4.3.2 CCD 基本知識CCD 是一種以電荷包形式存儲和傳輸信息的新型半導(dǎo)體器件，目前正向小型化與多像素化兩個方向發(fā)展。CCD 作為攝像器件與傳統(tǒng)的真空攝像管相比，具備體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長、成本低、堅固抗沖擊、抗振動、耐強(qiáng)光、抗電磁干擾等明顯優(yōu)勢，在清晰度、分辨率、靈敏度、殘像、失真度、彩色與尺寸重現(xiàn)性等方面，也勝真空攝像管一籌。另外，CCD 測量速度快，所以不僅可用于靜態(tài)測量，還可用于動態(tài)在線檢測。因此，本文選用CCD 攝像機(jī)。選擇這種攝像機(jī)時應(yīng)該注意幾個問題：（1）選擇各種參數(shù)可以手動設(shè)置的攝像頭，例如增益、快門速度等。 （2）選擇靈敏度高、信噪比大的攝像頭，一般說明書上會標(biāo)記最低照度為 0.1Lux 等，越小越好。 （3）水平清晰度越大越好。 （4）CCD 尺寸大時，對成像質(zhì)量有利，但是后續(xù)選擇時要考慮到鏡頭的性能。出的是幀頻是每秒鐘采集圖像的幀數(shù)，反映了 CCD 采集圖像的速度，只有幀頻高的 CCD 攝像機(jī)才能實現(xiàn)高速檢測，而電子快門的速度是 CCD 芯片攝取每一幅圖像的曝光時間，這和普通相機(jī)所使用的機(jī)械快門一樣，快門速度越高，拍攝運動物體時圖像在 CCD 芯片上位置的相對移動就越小，因此得的到運動圖像就越清晰，相反，如果快門速度很低，運動的物體所成的像就會在 CCD 曝光20時發(fā)上移動，從而導(dǎo)致圖像的模糊（smear） 。4.3.3 圖像采集卡圖像采集卡是一種對模擬視頻信號進(jìn)行采樣并作 A/D 轉(zhuǎn)換而輸出數(shù)字信號的板卡，它廣泛應(yīng)用于圖像傳感、圖像分析、信號處理、數(shù)字存儲等領(lǐng)域。目前市場上常見的圖像采集卡有基于 ISA 總線與 PCI 總線兩種。由于本文采用的控制裝置為微型計算機(jī)（PC） ，并且現(xiàn)在微型計算機(jī)的主板板卡插槽多為 PCI總線插槽，ISA 總線插槽呈現(xiàn)逐漸被淘汰的趨勢，因此本文選用基于 PCI 總線的圖像采集卡。按照輸出圖像的顏色來分，圖像采集卡又分為黑白圖像采集卡與彩色圖像采集卡兩種。其中，彩色圖像采集卡的價格大約是同檔黑白圖像采集卡的 2 倍。根據(jù)測量系統(tǒng)的設(shè)計要求，并考慮成本，本文選用黑白圖像采集卡。4.3.4 選擇結(jié)果根據(jù)機(jī)器視覺光學(xué)理論的指導(dǎo)和實驗效果對比，同時考慮性價比，本文所設(shè)計的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)最終選擇了如下的系統(tǒng)硬件：1）CCD 攝像機(jī)與圖像采集卡：（1）日本松下 CCD 攝像機(jī)：分辨率 795X596，30 幀/秒；WV-BP330 0.08Lux，570 線，1/3"自動白平衡（2）圖像采集卡：北京嘉恒中自 M10A 單 A/D 通道、可單幀或連續(xù)幀進(jìn)行圖像采集。（3）CCD 鏡頭定焦手動光圈日本 35 mm F1.8 1/3"C 接口 5.52）透射光柵，中科院長春光機(jī)所按用戶要求制作。3）步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī) 1 套、驅(qū)動器：1 套、運動控制卡 1 塊4）白熾光源一個5）三角支架一個6）CCD、光源及光柵支撐架，7）控制用計算機(jī)一臺214.4 光柵電動平移臺基本結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 4-5 所示：圖 4-5 光柵電動平移臺4.5 本章小結(jié)本章主要介紹了光學(xué)三維測量機(jī)的主要部件的設(shè)計，掃描儀測量系統(tǒng)介紹以及硬件的選擇。22第五章 光學(xué)三維測量機(jī)的設(shè)計計算5.1 控制系統(tǒng)中電機(jī)的選擇5.1.1 步進(jìn)電動機(jī)的概述步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行單元，專門用于位置和速度精確控制的特種電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的最大特點是其“數(shù)字性” ，對于微電腦或控制器發(fā)過來的每一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)在其驅(qū)動器的推動下運轉(zhuǎn)一個固定角度(簡稱一步)，如接收到一串脈沖步進(jìn)電機(jī)將連續(xù)運轉(zhuǎn)一段相應(yīng)距離。由于步進(jìn)電機(jī)工作簡單可靠，成本低廉，根據(jù)三維掃描系統(tǒng)控制要求：運動速度適中、控制精度高、扭矩超過 1.5Nm，我們選用了雷賽公司的步進(jìn)電機(jī)，并且取得了較好的效果。本設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)光柵平移臺的直線進(jìn)給。步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖馬達(dá)，是一種把電脈沖信號變換成直線位移或角位移的控制電機(jī)。它的位移速度和輸入脈沖數(shù)成正比，因此可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，并能實現(xiàn)快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)已作為重要的執(zhí)行元件應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、智能儀器和自動控制中。5.1.2 電動機(jī)容量的選擇原則在機(jī)電傳動系統(tǒng)中選擇一臺合適的電動機(jī)是極為重要的。電動機(jī)的選擇主要是容量的選擇，如果電動機(jī)的容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，使生產(chǎn)效率降低，另一方面電動機(jī)經(jīng)常在過載下運行，會使它過早損壞，同時還可能出現(xiàn)啟動困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。選擇電動機(jī)應(yīng)根據(jù)以下三項基本原則進(jìn)行。（1）發(fā)熱：電動機(jī)在運行時，必須保證電動機(jī)的實際最高工作溫度等于或略小于電機(jī)允許的最高工作溫度。（2）過載能力：電動機(jī)再運行時，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時，由于電動機(jī)的熱慣性較大，電動機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載說仍可保證上面的原則，故此時，決定電動機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動機(jī)的過載能力。既所選電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩或允許電流必須大于運行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩和最大負(fù)載電流即：23（3） 啟動能力：由于鼠籠式異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩一般較小，所以，為使電動機(jī)能可靠啟動，必須保證式中 nSTL??NsttT/??選擇電動機(jī)容量的方法一般有計算法、統(tǒng)分析計法和類比法。5.1.3 步進(jìn)電動機(jī)的容量計算下面的計算結(jié)果?F所以選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，輸出功率 0.2kw，同步轉(zhuǎn)速 1500r/min，電動機(jī)的參數(shù)如下表一所示：表 5-1 電動機(jī)的各種參數(shù)：電動機(jī)型號 步距角 最大靜轉(zhuǎn)矩（N.m）運行頻率最高空載啟動頻率軸徑 長度55BF003 0.75/1.5 0.686 1800 6mm 70mm5.2 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器計算轉(zhuǎn)矩 則：3.1142 ??? Aac KTK， 取， 考 慮 到 轉(zhuǎn) 矩 變 化 很 小查 表按照計算轉(zhuǎn)矩 應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱直徑的條件，查標(biāo)準(zhǔn) GB5843-86 或手caT冊，選用合適的聯(lián)軸器表 5-2 聯(lián)軸器的參數(shù)型號 公稱轉(zhuǎn)矩T（N.M）許用轉(zhuǎn)速（r/min）軸孔直徑D(H7)D D1 螺栓直徑 M L0YL1 10 13000 6 22 17 M2 35根據(jù)聯(lián)軸器的孔徑選取絲杠端最小軸的直徑。NMAXLmIITT'max'???kwVPe 05.612/max???mNPA .365.73.1.31270/90/95022??245.3 絲杠螺母副的選用計算5.3.1 絲杠螺母導(dǎo)程的確定再本設(shè)計中，電機(jī)與絲杠直接相連，傳動比 i=1，選擇電機(jī) Y 系列異步電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 ，則絲杠的導(dǎo)程cmkgfMrn .2min,/150maxmax ??最 大 轉(zhuǎn) 矩為 VPh 8150/./ax5.3.2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速最大進(jìn)給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為 in//2/maxa rnh??最慢進(jìn)給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為 .ini則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估計 21t mi/10)((21min1attt?5.3.3 絲杠的等效負(fù)載工作負(fù)載是指機(jī)床工作時，實際作用在絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的實驗公式計算。選用導(dǎo)軌為滾動導(dǎo)軌，而一般情況下，滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為 0.0025-0.005，取摩擦系數(shù) f 為 0.005，則絲杠所受的最大牽引力為 )(maxGFKFzyx??Nf 127.4605.in ???故其等效負(fù)載可按下式計算（估算 t1=t2 ;n2=2n1） 3/1212min313max )]/()[( tntFtF???由以上確定進(jìn)給運動的總阻力 F∑=12N5.3.4 確定絲杠所受的最大動載荷 ?aC查表，取絲杠的工作壽命 Th 為 15000h，同時取精度系數(shù) fa=1，負(fù)荷性質(zhì)系數(shù) fw=105，溫度系數(shù) ft=0.95，硬度系數(shù) fh=1，可靠性系數(shù) fk=0.53；平均轉(zhuǎn)速為 1000r/min。N2/2i25選用滑動絲杠螺母傳動，絲杠公稱直徑為 ，基本導(dǎo)程 ，m45?mPh8?絲杠螺母的接觸剛度為 1692N/ ，螺旋升角 絲杠的底徑 26mm，螺母m?'.183??長度為 210mm，取絲杠的精度等級為 1 級。5.3.5 計算軸承動載荷壽命系數(shù)為： 71.250/13350/1??hhLf式中 ——壽命系數(shù)：——可靠性為 90%的額定壽命，取為 10000h；0——轉(zhuǎn)速系數(shù)： ；nf 28.045/3/?jnf計算轉(zhuǎn)速 取最高轉(zhuǎn)速，取 ；j mi150rj NC1828./7????故能滿足要求。5.3.6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算已知：軸承的接觸剛度 ，絲杠螺母的接觸剛NkB?/10，絲杠的最小拉壓剛度：mNKC?/1692?當(dāng)導(dǎo)軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L 植分別為750mm 和 100mm。螺母座剛度 。軸向拉壓總剛度為：mNKH?/10?絲杠拉壓振動的固有頻率由計算可知，絲杠拉壓振動的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1500r/min，所以能滿足要求。NnTffFCrnThkahtwmh 345.09./02)0/6).(/( 1915060 33/6 ???????? mNLAEs ?/1652.0/.253./ 4.875axin ???EsCBe/28 4.18/9/8//1in ??min/7165/50136.2/.910/6 rsradmKeB ????nThfFC/265.4 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度：由《機(jī)械設(shè)計手冊》得平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為：絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為絲杠扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率為：顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 1500r/min，所以，能滿足要求。5.5 傳動精度計算絲杠的拉壓剛度： 由以上的各條件可知最小機(jī)械傳動剛度為：最大機(jī)械傳動剛度：rNmLdKmT /4.207148.74. ??232.1058.)0.(81.9362kgJ??????23.4.mS? sradJKSZWTT /47810)35.6.058.(2733?????? ??LEdKS42??mNKBcs ?/1208/1692/.8//1//1minin0 ????27因此得到由于機(jī)械傳動裝置所引起的定位誤差為其中，F(xiàn)0 為空載時導(dǎo)軌的靜摩擦力5.6 本章總結(jié)本章主要介紹了電動機(jī)的相關(guān)內(nèi)容，絲杠的相關(guān)設(shè)計計算。mNKKBcsmanan ?/45108/692/15///1/0 ?????KFqk ?? 12.0)45_12(0)_1(max0in0 ????28第六章 總結(jié)與展望6.1 全文總結(jié)本次設(shè)計主要是光學(xué)三維測量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求，便攜式設(shè)計：設(shè)備部件易拆易裝，方便帶至測量現(xiàn)場；可以實現(xiàn)橫向、縱向的任意調(diào)動；利用步進(jìn)電機(jī)帶動光柵進(jìn)行測量；工作的內(nèi)容總結(jié)如下：一、緒論主要闡述逆向工程的概念，三維光學(xué)測量機(jī)在逆向工程中的作用以及它的應(yīng)用與發(fā)展，本次設(shè)計的目的及其重大意義。二、介紹三維光學(xué)測量機(jī)系統(tǒng)的測量原理，測量機(jī)的特點，然后詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的原理。三、主要介紹三維光學(xué)測量機(jī)的整體設(shè)計法案。四、主要描述機(jī)械部分的設(shè)計和一些硬件件的選擇，對相應(yīng)的硬件進(jìn)行詳細(xì)的介紹。1、繪制整體結(jié)構(gòu)草圖。2、底座、框架的設(shè)計。4、電動平移臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。5、掃描儀硬件的選擇及一些硬件的詳細(xì)介紹。五、介紹測量機(jī)的相關(guān)設(shè)計計算。6.2 展望人們經(jīng)常需要快速的獲得物體表面的立體信息，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)能直接處理的信息。三維光學(xué)掃測量機(jī)這一裝置將在許多領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。一、工業(yè)制造業(yè)三維光學(xué)測量系統(tǒng)提供了一種快速無接觸的快速方法，能快速測量物體的立體尺寸，可用于工業(yè)零件快速在線測量、仿制、快速制造系統(tǒng)、對特殊物體的測量等。二、影視娛樂業(yè)隨著計算機(jī)圖形圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)影視特技技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于影視、廣告業(yè)，達(dá)到了過去無法想想的特技效果，已經(jīng)成為高質(zhì)量影視、廣告制作不可缺少的手段。要在計算機(jī)上完成三維動畫，必須要有三維模型數(shù)據(jù)，這時就可以用三維掃描系統(tǒng)將演員、道具、模型等的表面空間數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)系統(tǒng)中。29三、文物保護(hù)三維光學(xué)測量系統(tǒng)能以不損傷物體的手段，獲得文物的三維信息、紋理、便于長期保存、再現(xiàn)，給文物復(fù)制帶來了很大的便利。四、藝術(shù)把該系統(tǒng)和數(shù)控雕刻機(jī)相結(jié)合，可以很方便地雕像。只要對對象進(jìn)行一次掃描，就能獲得其表面的每個點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送入數(shù)控雕刻機(jī)，很快就能雕刻出逼真的雕像。五、醫(yī)學(xué)、整形、美容能快速測量人體各個部分，寶庫奧牙齒、面部、肢體等的尺寸，對美容、矯形、修復(fù)、口腔醫(yī)學(xué)、假肢制作都非常有用。六、服裝現(xiàn)在隨著人民生活水平的提高，人們開始追求個性化服裝設(shè)計，三維光學(xué)測量系統(tǒng)可以快速地獲得人體所有尺寸，輸入計算機(jī)，與服裝 CAD 結(jié)合，按照每個人的模型進(jìn)行服裝設(shè)計，還可以直接在計算機(jī)上看到服裝設(shè)計效果，并且可以進(jìn)行二次設(shè)計。七、學(xué)術(shù)研究隨著技術(shù)的發(fā)展，圖形圖像科技工作者的研究逐漸從二維進(jìn)入三維，三維光學(xué)測量系統(tǒng)可以給他們提供迅速獲取三維圖像數(shù)據(jù)的手段，為三維物體識別的研究提供方便。致謝30半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，我們的畢業(yè)設(shè)計也已經(jīng)到了尾聲階段，論文的完成標(biāo)志著四年的本科學(xué)習(xí)即將結(jié)束，也意味著，新的生活即將開始。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的半年里，我學(xué)到了很多知識，同時也得到了很多經(jīng)驗，給我即將結(jié)束的大學(xué)生活留下了很多值得回憶的經(jīng)歷，也給了我許多日后可以借鑒的豐富經(jīng)驗。這篇論文的題目涉及到的領(lǐng)域是現(xiàn)今最流行的技術(shù)——逆向工程技術(shù)，這是我今后的發(fā)展方向，我對在畢業(yè)之前就能接觸并深入了解這一科目而感到慶幸，因此我在這里要特別感謝我的指導(dǎo)教師程俊廷老師。衷心感謝程俊廷老師在這近半年的時間來對我的指導(dǎo)和教誨。您開闊的思維、敏銳的洞察力一直給我很大的啟發(fā)。程老師廣博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的工作作風(fēng)、勇于開拓創(chuàng)新的精神無不激勵著學(xué)生奮發(fā)向上、勇往直前。老師不僅在學(xué)生的學(xué)習(xí)、工作上給予熱情的指導(dǎo)，在生活也給了無微不至的關(guān)懷。學(xué)生在學(xué)習(xí)上所取得的每一點進(jìn)步和成績無不浸透著老師的心血。在論文完成之際，謹(jǐn)向程老師致以最衷心的感謝。唯一的遺憾是自己不夠主動，錯過了許多與您交流的機(jī)會。感謝伏立老師在設(shè)計過程中對我的幫助。同時還要對班級同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計期間給予我的無私幫助，再次表示感謝。畢業(yè)設(shè)計將給我四年的學(xué)習(xí)生活畫上圓滿的句號，這是我人生一個最重要的階段，也是我最重要的人生經(jīng)歷。它預(yù)示我新生活的開始，我將會更珍惜以后的每一個人生階段，因為每一段人生經(jīng)歷都將影響著我的生活，導(dǎo)致我或成功或失敗 ，因此我將認(rèn)真過好我的每一天。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心、愛護(hù)和幫助過我的人們！學(xué)生 王永光2008 年 5 月參考文獻(xiàn)1　 姜玉田主編 畫法幾何及機(jī)械制圖，黑龍江科技學(xué)院技術(shù)出版社 2002 6312　 沈忠主編 機(jī)械設(shè)計，高等教育出版社第七版 2001 63　 李慶祥、王東生主編 現(xiàn)代精密儀器設(shè)計，清華大學(xué)出版社 2004 34　 王紹竣主編 機(jī)械加工工藝手冊 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1991 5　 成大先主編 機(jī)械設(shè)計手冊，北京：化學(xué)工業(yè)出版社。 1997 6　 徐立華主編 機(jī)械制造工程學(xué)，北京：兵器工業(yè)出版社， 19977　 盧秉恒主編 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19998　 朱正心主編 機(jī)械制造技術(shù)， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19999　 郭熾盛主編 機(jī)械制造工程學(xué)，廣州：華南理工大學(xué)出版社，1997Anonymous. Rapid prototyping . Foundry Management & Technology. Jan 2003, 131(1): 81～8210　周儒榮《逆向工程與快速原型制造》 計算機(jī)輔助設(shè)計與造,2000,9: 11　付麗琴, 王長江. 基于反求工程技術(shù)和快速原型技術(shù)的產(chǎn)品快速開 發(fā). 機(jī)械管理開發(fā), 2002, 2: 41～4212　栗全慶等，實物反求工程的關(guān)鍵技術(shù)分析，機(jī)械設(shè)計，1996 年 6 月許智欽, 閆明, 張寶峰等. 逆向工程技術(shù)三維激光掃描測量. 天津大學(xué)學(xué)報, 2001, 34(3): 404～40513　[鄧乾旺, 劉小燕, 于德介. 快速反求工程及其在快速成形制造中的應(yīng)用. 械設(shè)計與制造, 2000, 4: 59～6014　Shauna R Pope. Non-contact measurement system. Modern Machine Shop, 2002, 75(1):21515　Anonymous.Coordinate measuring system .Modern Casting,200216　張暢等、快速造型技術(shù)中的反求工程 計量技術(shù) 1998，No.117　周國彪, 韓明, 張李超等. 三維激光掃描儀控制系統(tǒng)研究. 華中科技大學(xué)學(xué)報, 2003, 31(2): 109～11018　Daschbach, Abella, Mcnichols. Reverse Engineering : a tool for process planning . computer industry Engineer , 1995, 29(1-4):637～64019　李奇志,劉勝清.基于快速原型制造的反求工程.機(jī)械, 2001, 2820　Terry Wohles. The rapid prototyping manufacturing industry. Advanced Materials & Processes 2003, 161(1):35～3621　李真、邢淵，反向工程在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，模具技術(shù)，2001,No.322　GT-400-SP 運動控制器用戶手冊23　 雷賽機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司產(chǎn)品說明書3224　張曉峰, 游有鵬, 朱劍英等. Windows95 環(huán)境下數(shù)控系統(tǒng)的研究. 航空制造技術(shù), 2000, 4: 32～3325　HANG GAO, ER’LI SUN, YU’HOU WU. Outline of mordern mechanical design methods and manufacturing techniques. Northeasten University press,199426　KOREN Y, PENG J. Design and analysis of a modular CNC system[J]. Computers in industry, 1990, 13(4):305～31627　王濤, 遲永琳, 王宇晗等. 基于 Windows NT 的開放式數(shù)控系統(tǒng)多任務(wù)實時控制. 機(jī)床與液壓. 2000, 4:45～4628　任向陽等，基于 PMAC 運動控制器的數(shù)控系統(tǒng)在三坐標(biāo)激光加工機(jī)床中的應(yīng)用，機(jī)床與液壓 200229　 David J. Kruglinski 著, 潘愛民, 王國印 譯. Visual C ++技術(shù)內(nèi)幕(第四版). 清華大學(xué)出版社, 1999, 130　許鵬等，線結(jié)構(gòu)激光仿形測量中的視覺跟蹤測量算法 機(jī)械與電子 2001.1附錄一33在逆向工程中對適合曲線的數(shù)據(jù)點云的預(yù)處理逆向工程已經(jīng)成為一種從實物通過 CMM 測量的數(shù)據(jù)點重建 CAD 模型的重要工具.在逆向工程中首要的問題是:測量到的點具有不規(guī)律形式和不對等分布，很難用 B-spline 曲線擬合。這篇論文中介紹了一種在逆向工程中用預(yù)先處理數(shù)據(jù)點來擬合曲線的方法。適合 B-spline 形式之前來處理先前測量得到的數(shù)據(jù)點的方法已經(jīng)得到了發(fā)展。通過這種方法產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)點形式，適合建立光滑精確 B-spline 曲線的要求。這種方法的整個的步驟包括：切片、弧度分析、分割、回歸、和再生。在逆向工程中這種方法被實施和用于實踐。重建的結(jié)果證實了此方法與目前流行的商業(yè) CAD 系統(tǒng)的結(jié)合力。關(guān)鍵字：擬合曲線；預(yù)先處理數(shù)據(jù)點。逆向工程1．介紹隨著計算機(jī)硬件的軟件技術(shù)的發(fā)展，對促進(jìn)產(chǎn)品發(fā)展的計算機(jī)輔助技術(shù)觀念在工業(yè)領(lǐng)域已被廣泛地接受通過新的 CAD 技術(shù)的發(fā)展,設(shè)計和制造之間的間隙已逐漸變得越來越密切。在正常的自動化制造環(huán)境下操作順序經(jīng)常是通過用CAD 系統(tǒng)創(chuàng)建的幾何模型的產(chǎn)品設(shè)計開始，在幾何模型的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生機(jī)器制造指令將原材料轉(zhuǎn)化成最終產(chǎn)品然后結(jié)束。由于意識到現(xiàn)代計算機(jī)輔助技術(shù)在產(chǎn)品發(fā)展和制造中的優(yōu)勢，因此在 CAD 系統(tǒng)著重要求創(chuàng)建物體的幾何模型。然而，在創(chuàng)建 CAD 模型之前，產(chǎn)品發(fā)展的物理模型和樣本先被產(chǎn)生出來。1．例如，在設(shè)計汽車主體控制面板時，設(shè)計者和藝術(shù)家關(guān)于控制板的構(gòu)想到底是